Ein neuer winziger Stickstoffdioxidsensor könnte dazu beitragen, die Umwelt vor Fahrzeugschadstoffen zu schützen, die Lungenkrankheiten und sauren Regen verursachen.
Forscher von TMOS, dem Australian Research Council Centre of Excellence for Transformative Meta-Optical Systems, haben einen Sensor entwickelt, der aus einer Anordnung von Nanodrähten in einem Quadrat von einem Fünftel Millimeter pro Seite besteht, was bedeutet, dass er leicht in einen Siliziumchip eingebaut werden könnte .
In einer Studie, die in der neuesten Ausgabe von veröffentlicht wurde Fortgeschrittene Werkstoffe, Ph.D. Wissenschaftler am Team der Australian National University des Zentrums und Hauptautor Shiyu Wei beschreibt, dass der Sensor keine Stromquelle benötigt, da er mit einem eigenen solarbetriebenen Generator betrieben wird.
Wei sagt: „Da wir Geräte wie dieses in das Sensornetzwerk für die Internet-of-Things-Technologie integrieren, ist ein geringer Stromverbrauch ein großer Vorteil in Bezug auf Systemgröße und Kosten. Der Sensor könnte in Ihrem Auto installiert werden, während ein Alarm ertönt und.“ Warnungen, die an Ihr Telefon gesendet werden, wenn es gefährliche Mengen an Stickstoffdioxid feststellt, die aus dem Auspuff ausgestoßen werden.
Co-Hauptautor Dr. Zhe Li sagt: „Dieses Gerät ist erst der Anfang. Es könnte auch angepasst werden, um andere Gase wie Aceton zu erkennen, was als nicht-invasiver Atemtest auf Ketose, einschließlich diabetischer Ketose, verwendet werden könnte unzählige Leben retten.
Vorhandene Gasdetektoren sind sperrig und langsam und erfordern einen geschulten Bediener. Im Gegensatz dazu kann das neue Gerät schnell und einfach weniger als 1 Teil pro Milliarde messen, und der TMOS-Prototyp verwendete eine USB-Schnittstelle zum Anschluss an einen Computer.
Stickstoffdioxid gehört zu den Schadstoffen der NOx-Kategorie. Es trägt nicht nur zum sauren Regen bei, sondern ist auch in geringen Konzentrationen für den Menschen gefährlich. Es ist ein häufiger Schadstoff aus Autos und wird auch in Innenräumen von Gasherden erzeugt.
Der Schlüssel zum Gerät ist ein PN-Übergang – der Motor einer Solarzelle – in Form eines Nanodrahts (eine kleine sechseckige Säule mit einem Durchmesser von etwa 100 Nanometern und einer Höhe von 3 bis 4 Mikrometern), die auf einer Basis sitzt. Eine geordnete Anordnung von Tausenden von Nanodraht-Solarzellen mit einem Abstand von etwa 600 Nanometern bildete den Sensor.
Die gesamte Vorrichtung wurde aus Indiumphosphid hergestellt, wobei die Basis mit Zink dotiert war, um den P-Teil zu bilden, und der N-Abschnitt an der Spitze der Nanodrähte mit Silizium dotiert war. Der mittlere Teil jedes Nanodrahts war undotiert (der intrinsische Abschnitt, I), der die P- und N-Abschnitte trennte.
Auf das Gerät fallendes Licht bewirkt, dass ein kleiner Strom zwischen den N- und P-Abschnitten fließt. Wenn jedoch der intrinsische mittlere Abschnitt des PN-Übergangs von Stickstoffdioxid berührt wird, das ein starkes Oxidationsmittel ist, das Elektronen wegsaugt, führt dies zu einem Einbruch des Stroms.
Aus der Größe der Senke lässt sich die Konzentration des Stickstoffdioxids in der Luft berechnen. Numerische Modellierung durch Dr. Zhe Li, Postdoktorand bei EME, zeigte, dass das Design und die Herstellung des PN-Übergangs entscheidend für die Maximierung des Signals sind.
Die Eigenschaften von Stickstoffdioxid – starke Adsorption, starke Oxidation – machen es Indiumphosphid leicht, es von anderen Gasen zu unterscheiden. Der Sensor könnte auch optimiert werden, um andere Gase zu erkennen, indem die Indiumphosphid-Nanodrahtoberfläche funktionalisiert wird.
TMOS-Chefforscher Professor Lan Fu, Leiter der Forschungsgruppe, sagt: „Das ultimative Ziel ist es, mehrere Gase auf einem kleinen Chip zu erfassen. Neben Umweltschadstoffen könnten diese Sensoren im Gesundheitswesen eingesetzt werden, beispielsweise für Atemtests für Biomarker von Krankheit.
„Der winzige Gassensor ist leicht integrierbar und skalierbar. In Kombination mit Meta-Optik verspricht dies Multiplexing-Sensoren mit hoher Leistung und mehreren Funktionalitäten, die es ihnen ermöglichen werden, in Smart-Sensing-Netzwerke zu passen. TMOS ist ein Netzwerk von Forschungsgruppen über alle Grenzen hinweg Australien widmet sich der Weiterentwicklung dieses Bereichs.
„Die von uns entwickelten Technologien werden unser Leben und unsere Gesellschaft in den kommenden Jahren verändern, mit der groß angelegten Implementierung der Internet of Things-Technologie für die Echtzeit-Datenerfassung und autonome Reaktion in Anwendungen wie der Überwachung der Luftverschmutzung, der Erkennung industrieller chemischer Gefahren und intelligenten Städten und persönliche Gesundheitsvorsorge.“
Mehr Informationen:
Shiyu Wei et al, A Self‐Powered Portable Nanowire Array Gas Sensor for Dynamic NO 2 Monitoring at Room Temperature, Fortgeschrittene Werkstoffe (2022). DOI: 10.1002/adma.202207199
Bereitgestellt vom ARC Center of Excellence for Transformative Meta-Optical Systems